1、第八章系统生物学,南京师范大学 比较基因组学与生物信息学实验室,定义 (Definition),系统生物学从系统水平来理解生物学系统， 利用一系列的原理与方法学来研究分子行为与系统特性与功能的关系，通过计算生物学来 定量阐明和预测生物的功能、表型和行为。 Systems biology is a discipline to study the spatial-temporal interactions of components in different levels of biological systems, seeking to find the laws in the organiza
2、tion principles, dynamic behaviors and emergent properties of such biological systems.,What is Systems Biology?,Systems biology is an emergent field that aims at system-level understanding of biological systems.,Hiroaki Kitano（北野宏明）Ph.D Project Director. Sony Computer Science Laboratories,Science, 2
3、95, 1662-1664 (2002).,To understand biology at the system level, we must examine the structure and dynamics of cellular and organismal function, rather than the characteristics of isolated parts of a cell or organism.,What is Systems Biology?,Leroy Hood （MD PhD） is recognized as one of the worlds le
4、ading scientists in molecular biotechnology and genomics. In 2000, Hood co-founded, and is currently President of, the Institute for Systems Biology in Seattle which pioneers systems approaches to biology and medicine.,Systems biology is a scientific discipline that endeavors to quantify all of the
5、molecular elements of a biological system to assess their interactions and to integrate that information into graphical network models that serve as predictive hypotheses to explain emergent behaviors.,Science, 360, 640-643 (2004).,近几十年来发展最为迅速的生物科学,21世纪的生物学,分子水平，系统生物学的基础,整合性 的大科学,分子生物学,系统生物学,系统生物学与分
6、子生物学,分子生物学 与 系统生物学,分子生物学 与 系统生物学,背景学科,生理学 分子生物学 生物信息学 组学,系统生物学方法,蛋白质组核心技术和主要内容,Protein extract 1,Label with fluor 1,Protein extract 2,Label with fluor 2,Mix labeled extracts,Image gel,Excitation Wavelength 1,Excitation wavelength 2,差异凝胶电泳Difference Gel Electrophoresis (DIGE),DIGE与常规的双向电泳技术比较， 更加简单、劳
7、动强度更低、效率更高。,质谱技术,肽质量指纹谱(Peptide Mass Finger-print，PMF)鉴定蛋白质是目前蛋白质组研究中较常用的鉴定方法。,测定肽混合物质量谱最有效的质谱仪是MALDI-TOF-MS。 基体辅助激光解吸（MALDI）在原理上利用激光束照射分散于基质中的样品，由于这些基质能够强烈吸收激光，从而保护了样品分子。 MALDI可离子化蛋白而又不破坏蛋白。 MALDI 与 TOF MS 的连用可以测定大分子如蛋白质的分子量，该技术精度高、分析时间短，可同时处理许多样品，是高通量鉴定的首选方法。,没有基体,系统生物学与相关学科的关系,生命活动三要素：物质、能量、信息,系统
8、生物学,分子生物学,生理学,生物信息学,系统生物学与合成生物学的关系,系统生物学为合成生物学提供理论基础合成生物学为系统生物学提供验证手段,“Synthetic Biology”,传统分子生物学,各种“组学”,系统生物学,少,多,多对多,(Interactions),组织原理,动态行为,涌现属性,研究方式的转变,人类认识世界的两种方法论,ReductionismHolism,RENE DESCARTES (1595-1650)“I am thinking therefore I exist.“,Jan Smuts (1870-1950) “Holism and Evolution”,还原论及其
9、局限性,奠基人：笛卡尔 分析-重构方法 主导地位：分析、分解、还原400年来，创造了一套可操作的科学方法 面临的巨大问题：复杂系统，用认识的叠加方法，不宜发现整体的“涌现性”从宇宙、生物圈、动物界、植物界，到个体，器官、组织、细胞、细胞器、DNA、基因片段还原论的洋葱皮已经剥到“芯”了DNA双螺旋结构的发现以及随后的基因突破已经抵达到有机生命与无机物质的拐点，还原论在生命科学领域里所承担的使命大致已经终结科学的分析时代必然划向综合时代恩格斯,“系统论是还原论和整体论的辩证统一”- 钱学森,对还原论的超越,Nature, Volume 7, November 2006,http:/www.new
10、visions.ucsb.edu/background/images/elephant.gif,是生物学是数据整合是建模仿真是系统科学,系统生物学是什么,教材作者：Edda Klipp,第一步：对选定的某一生物系统的所有组分进行了解和确定，描绘出该系统的结构，包括基因相互作用网络和代谢途径，以及细胞内和细胞间的作用机理，以此构造出一个初步的系统模型。第二步：系统地改变被研究对象的内部组成成分（如基因突变）或外部生长条件，然后观测在这些情况下系统组分或结构所发生的相应变化，包括基因表达、蛋白质表达和相互作用、代谢途径等的变化，并把得到的有关信息进行整合。第三步：把通过实验得到的数据与根据模型预测
11、的情况进行比较，并对初始模型进行修订。第四步：是根据修正后的模型的预测或假设，设定和实施新的改变系统状态的实验，重复第二步和第三步，不断地通过实验数据对模型进行修订和精练。系统生物学的目标就是要得到一个理想的模型，使其理论预测能够反映出生物系统的真实性。,系统生物学研究的四个环节,Four Aspects,Understanding of system structureUnderstanding behaviors of the systemUnderstanding how to control the system Understanding how to design the syst
12、em- by Hiroaki Kitano 2002,自上而下 (Top-down，以Hood为代表) 自下而上 (Bottom-up，以Kitano为代表)整合 (Integration)扰动法 (Perturbation),主要研究策略,整合系统生物学的核心,系统内不同性质的构成要素（基因、mRNA、蛋白质、生物小分子等）的整合。从基因到细胞、到组织、到个体的各个层次的整合。研究思路和方法的整合。需要生命科学、信息科学、数学、计算机科学等各种学科的共同参与，真正实现这种整合还有很长的路要走。,生命科学信息科学系统科学,系统生物学三大学科基础,生物学 物理学 化学 工程学 数学 计算科学,系
13、统生物学的学科交叉特性,系统生物学，是把孤立的在基因水平、蛋白水平的各种相互作用、各种代谢途径、调控途径等融合起来，用以说明 生物整体，高通量的组学实验平台构成了系统生物学的大科学工程.,实验技术 （Wet Part）信息技术 （Dry Part）,两大技术支撑,实验技术,基本技术离心与层析酶切与电泳PCR技术杂交和印迹技术高通量技术新DNA测序技术 克隆载体与DNA文库DNA和蛋白质芯片酵母双杂交质谱技术ChIP-chip和ChIP-PET技术转基因生物、RNA干扰各种显微示踪技术等,http:/ 马克思,用到的数学知识：线性代数微分方程（常微分方程、偏微分方程、差分方程）图与网络的理论统计
14、学理论随机过程理论,涉及的生物学知识,生命的起源与进化生命起源的学说生命的化学进化生命的生物进化细胞结构与物质代谢细胞的构成生物分子的合成与分解生物分子中的化学键和重要作用力分子生物学中心法则基因表达的信息流向基因表达的调控表达后蛋白的修饰细胞周期与胚胎发育细胞的分裂过程胚胎的发育过程,生物信息资源,常用数据库序列和结构数据库基因表达数据库蛋白相互作用数据库代谢途径数据库动力学和模型数据库常用的算法和网络服务序列和结构比对算法 进化树构建方法网络建模、比对和分析的方法 常用的建模工具通用建模工具MatLab, Maple, MathematicaDizzy仿真工具SBW平台网上建模环境 （ P
15、yBioS）建模程序包 （PySCeS）,各种组学的研究进展,基因组学、转录组学、蛋白质组学、糖组学相互作用组学代谢物组学表型组学、系统组学,系统生物学的应用,医药领域能源领域工业生产畜牧农林业改善环境与生态,研究机构与研究组织,Institute for Systems Biology founded by Leroy Hood in 1999,http:/www.systemsbiology.org/,Hiroaki Kitano,http:/systems-biology.org/,Other famous institutes,Systems Biology Department at
16、 Harvard Medical School Computational and Systems Biology Initiative at MIT Bio-X at Stanford University BioSPI Project at Weizmann, IsraelSystemsX.ch, The Swiss Initiative in Systems BiologyCaltech, USA University of Edinburgh, UK University of Gotenberg, SwedenHumboldt University Berlin, Institute
17、 for Biology, Theoretical Biophysics, Berlin, Germany,国内机构,中科院系统生物学重点实验室，http:/ International Conference on Systems Biology 11th, Edingburgh, UK, October 10-15, 2010 http:/www.icsb2010.org.uk WCSB: International Workshop on Computational Systems Biology, 7th. (Luxembourg, June 16-18, 2010)ICCSB: Int
18、ernational Conference on Computational and Systems Biology, 2011 (Manila, Philippines, March 29-31, 2011),重要学术会议,Molecular Systems Biology PLoS Computational Biology Bioinformatics (SB section) BMC Systems Biology BMC Bioinformatics Journal of Theoretical Biology Journal of Computational Biology in
19、silico Biology Biosystems Molecular Biosystems Biophysical Journal IET Systems Biology Nature Science Cell PNAS.,主要学术刊物,中文参考书,系统生物学的理论、方法和应用 德 柯利普 等著；贺福初 等译，复旦大学出版社，2007。 系统生物学基础 日 北野宏明 编；刘笔锋，周艳红等译，化学工业出版社，2007。 系统生物学：哲学基础 荷 布杰德 等编著；孙之荣等译，科学出版社，2008。 系统生物学，张自立，王振英 编著，科学出版社，2009。 系统生物学导论：生物回路的设计原理尤.
20、阿隆 著，王翼飞 等译， 化学工业出版社，2010。 合成生物学，宋凯，科学出版社，2010。,English Books,Klipp E. etc. Systems Biology: A Textbook, Wiley-VCH, 2009 Alberghina L. & Westerhoff H.V. (Eds.) Systems Biology: Definitions and Perspectives (Topics in Current Genetics), Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2005. Palsson B.O. Systems Bi
21、ology: Properties of Reconstructed Networks, Cambridge University Press, 2006. Konopka A.K. Systems Biology: Principles, Methods, and Concepts, CRC Press, 2006. Kriete A. & Eils R. (Eds.) Computational Systems Biology, Elsevier Academic Press, 2006. Wilkinson D.J., Stochastic Modelling for Systems B
22、iology, CRC Press, 2006. Sangdun Choi (Eds.) Introduction to Systems Biology, Humana Press, 2007. Frederick B. Marcus, Bioinformatics and Systems Biology: Collaborative Research and Resources, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2008. Nakanishi S. etc. (Eds.) Systems Biology: the Challenge of Complexity, Springer Tokyo Berlin Heidelberg New York, 2009. McDerMott Jason etc. (Eds.) Computational Systems Biology (Springer Protocals: Methods in Molecular Biology), Humana Press, 2009. Oleg Demin & Igor Goryanin, Kinetic Modelling in Systems Biology, CRC Press, 2009.,Thank You !,
